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ZEMAX中如何使用自定义面型(UDS)？（一）
前言：
尽管ZEMAX提供了很多种面型供使用，可是有些时候总觉得不够用。
比如：新的面型，面型参数不够，自定义不够灵活。这时候就需要自定义面型了。
针对自定义面型，ZEMAX提供了完善的接口，如果软件本身提供的面型不够用，只需要按照指定格式编写一个DLL即可。 前段时间，在ZEMAX中开发PW法的插件，利用到了自定义面型。网上也比较缺乏这方面的资料，在此写一篇教程，希望能够帮助大家加深对ZEMAX中自定义面型的理解。欢迎有兴趣的朋友与作者进行交流。
这是一个介绍自定义面型的基础教程，包含两部分：
一、ZEMAX自定义面型简介 a) 对于程序来说面型是什么？ b) 什么是自定义面型？ c) 自定义面型的DLL文件怎么工作？ d) 一个标准球面的源代码详解
二、自定义带PW参数的理想面实例。 本文为第一部分，第二部分后续推出。
ZEMAX自定义面型简介
1. 对于程序来说面型是什么？
在ZEMAX程序中，面型只不过是一个抽象概念，包含一堆数据的一个对象。常见的比如：r（曲率半径）、d（透镜直径）、n（透镜折射率），面型名称，t（厚度）等。不同的面型有不同的参数，不同的软件也有些不一样。
2. 什么是自定义面型？
ZEMAX为了拓展面型功能，允许用户自定义。就是写一个应用程序拓展（DLL），里面包含了很多函数，这些函数（也就一个）会被ZEMAX调用。自定义面型的核心算法就被放在这些函数内部。 切记：ZEMAX调用这些函数是按指定格式的。 位宽：这个要跟ZEMAX统一，操作手册上说64位的软件就用64位的DLL，32位的软件就用32位的DLL，貌似在实际操作中64位程序必须使用32位DLL。
那么到底ZEMAX会从这个DLL中调用哪些函数，或者说到底哪些东西是可以自定义的？ZEMAX规定，用户需要在DLL中自定义包含用于绘制这个面，光线追迹（包括近轴和实际），梯度折射率的数据。
REF: The DLLmust contain functions which return to ZEMAX all the data required to draw thesurface, trace rays, compute refraction angles, and for gradient index, todetermine the index as a function of position within the media following thesurface. 实际上就是ZEMAX挖了很多坑，将对应的坑填上对应的计算公式就行了。
3. 自定义面型的DLL文件怎么工作？
比如ZEMAX主程序要追迹光线，如果这个面是自定义面型，那么主程序就跳转到这个DLL（DLL函数的地址）。这个DLL包含自定义内容，那么就实现了这个面型的自定义化。
DLL就是一个封装了一些函数的文件，ZEMAX让用户把自己的算法写在这个函数里面，在使用这个面型的时候，ZEMAX会按规定格式调用这个函数。 在早期的ZEMAX，这个函数的函数名为UserDefinedSurface，UserDefinedSurface2。后面的数字是保留更新用的，ZEMAX 09可以使用UserDefinedSurface3,ZEMAX 16（Optic Studio）使用到了UserDefinedSurface4。
接下来看一下这个入口函数，找到UserDefinedSurface3的声明： int _declspec(dllexport)APIENTRY UserDefinedSurface3(USER_DATA *UD, FIXED_DATA3 *FD); 从中可以看出zemax调用这个函数的时候会传给它两个指针。UD 和FD，UD是USER_DATA的指针类型，包含一些基本光线数据，比如入射光线的坐标、方向。
- typedef struct
- {
- double x, y, z; /* the coordinates */
- double l, m, n; /* the ray direction cosines */
- double ln, mn, nn; /* the surface normals */
- double path; /* the path change */
- double sag1, sag2; /* the sag and alternate hyperhemispheric sag */
- double index, dndx, dndy, dndz; /* for GRIN surfaces only */
- double rel_surf_tran; /* for relative surface transmission data, if any */
- double udreserved1, udreserved2, udreserved3, udreserved4; /* for future expansion */
- char string[20]; /* for returning string data */
- }USER_DATA;
FD是FIXED_DATA3的指针类型，包含一些结构数据，比如n(入射面介质折射率)、n’（出射面介质折射率）等。 - typedef struct
- {
- int type, numb; /* the requested data type and number */
- int surf, wave; /* the surface number and wavelength number */
- double wavelength, pwavelength; /* the wavelength and primary wavelength */
- double n1, n2; /* the index before and after */
- double cv, thic, sdia, k; /* the curvature, thickness, semi-diameter, and conic */
- double param[9]; /* the parameters 1-8 */
- double fdreserved1, fdreserved2, fdreserved3, fdreserved4; /* for future expansion */
- double xdata[201]; /* the extra data 1-200 */
- char glass[21]; /* the glass name on the surface */
- }FIXED_DATA;
- typedef struct
- {
- int type, numb; /* the requested data type and number */
- int surf, wave; /* the surface number and wavelength number */
- int unit; /* the unit flag */
- double wavelength, pwavelength; /* the wavelength and primary wavelength */
- double n1, n2; /* the index before and after */
- double cv, thic, sdia, k; /* the curvature, thickness, semi-diameter, and conic */
- int ireserved[20]; /* for future expansion */
- double dbreserved[20]; /* for future expansion */
- double param[51]; /* the parameters 0-50 */
- double xdata[201]; /* the extra data 1-200 */
- char glass[21]; /* the glass name on the surface */
- }FIXED_DATA2;
这两个结构体在USERSURF.H中声明。FIXED_DATA3也是从FIXED_DATA一路走来的，不断拓展。
FIXED_DATA中有个两个变量int type, numb，这两个变量一起控制着ZEMAX要计算的内容。
- typedef struct
- {
- int type, numb; /* the requested data type and number */
其一为int type，是计算类型，Type与计算类型的关系：
| Type | 计算类型 | | 0 | The surface name, radial symmetry status, and grin status | | 1 | The name of the parameter columns | | 2 | The name of the extra data columns | | 3 | The sag and alternate sag of the surface | | 4 | A paraxial ray trace to and refraction through the surface | | 5 | A real ray trace to and refraction through the surface, including transmittance and polarization data if any | | 6 | The index and first derivatives for gradient index propagation | | 7 | The default data when the user first selects the surface type | | 8 | The initialization of the DLL, if required. 在这里可以初始化静态数据，申请内存，加载文件，类似于构造函数，每次加载执行一次。切记：一台机器可以同时运行多个ZEMAX，一个ZEMAX可以运行多个系统的副本（比如DDE），那么他们每一个副本都会执行这个函数。 | | 9 | The termination of the DLL, if required. 与上一个相反，类似于析构函数，清理战场用的。 | | 10 | The scaling of parameter and extra data values used by the DLL. The scale factor is stored in the USER_DATA structure in the path argument(double path;) |
其二为intnumb，为辅助用，常见的用途为： 1. 当有多个计算内容的时候用它来切换。比如type=0时，如果numb= 0，ZEMAX请求返回面的名称，如果numb为1，ZEMAX请求返回该系统是否为旋转对称系统。 2. 指示栏目数，当type为1或2时，numb表示请求的栏目数 3. 干脆没用
4. 一个标准球面的源代码详解 下面是一个中文注释的源代码文件。 这个代码来自OpticStudio16自带的us_stand.c文件，us_stand.c是us_stand.dll的源代码，us_stand.dll是标准球面面型的DLL文件。
截图：
09版ZEMAX自带一个C++的工程文件，16的好像找不到了。 最后，ZEMAX自带大量计算源代码，涉及： | Refractive and reflective UDS DLLs | 折反射DLL | | Gradient index UDS DLLs | 渐变折射率DLL | | Diffractive UDS DLLs | 衍射DLL | | Lenslet arrays using DLLs | 透镜阵列DLL | | User defined surface apodization using DLLs | 自定切趾DLL |
想要写相关的自定义面型，从这些例子开始方便多了。
文件：
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发表于 2016-6-16 11:17
